近日，中國科學院西安光機所瞬態(tài)光學研究室在手性光與物質相互作用研究方面取得新進展，研究成果發(fā)表于Nanophotonics。論文第一作者為西安光機所李曼曼副研究員，通訊作者為陳徐副研究員和姚保利研究員。
手性，即物體無法通過平移和旋轉與其鏡像完全重合，是生命與材料體系的固有幾何特征?；殓R像的對映異構體雖分子式相同，卻因空間構型差異而呈現(xiàn)截然不同的生物活性。因此，發(fā)展高效、無損、高精度的手性檢測與分離方法，一直是手性研究領域的核心目標。
近年來，手性光與物質相互作用領域的前沿進展為此提供了新思路：光場可對不同對映體施加差異化光學力，實現(xiàn)單粒子尺度的手性識別與分選。但現(xiàn)有光力分離研究大多局限于垂直光軸的二維平面操控，且常需借助微流控或人工微結構輔助粒子輸運，系統(tǒng)復雜、場景受限。
為解決上述問題，研究團隊創(chuàng)新性地將光學牽引效應與手性光與物質相互作用相結合，提出了一種全光的高通量的手性分選方法，可在單一系統(tǒng)中同時實現(xiàn)兩種對映體的空間分離與長距離負向輸運。
研究團隊利用環(huán)形光束緊聚焦構建“光針”光場：該光場在50λ縱深內保持強度高度均勻，同時保留入射光場的手性響應特性，可選擇性捕獲特定手性的微粒；得益于手性匹配帶來的前向動量散射增強效應，微粒在光學牽引下逆光入射方向運動，實現(xiàn)三維長距離輸運。
圖1 單光針光場中手性微粒(a, c)和非手性微粒(b)所受光力分布及相應光力(d-f)的位置依賴性。
在此基礎上，團隊通過光瞳相位調制進一步構建“雙光針”光場，兩束光針分別攜帶相反手性，可同時對兩種對映體實施高效分離與負向輸運，且橫向分離距離與縱向輸運距離均可靈活調控。
基于過阻尼朗之萬方程開展流體環(huán)境下的粒子動力學模擬證實：該光場體系產生的光學力足以克服黏性阻力與布朗擾動，有望實現(xiàn)高通量手性分選，在制藥、生化傳感及納米技術等領域具備重要應用價值。
李曼曼介紹，“手性分子如同人的左右手，外形相似卻無法重合。二者互為鏡像，稱作對映體。對映體的理化性質幾乎一致，生物活性卻天差地別：不少手性藥物中，僅一種對映體有療效，另一種沒有藥效甚至有毒副作用。如何高效精準分離這對‘鏡像分子’，一直是手性研究領域的核心挑戰(zhàn)。我們利用‘光針’充當‘光學之手’，既能根據手性差異精準識別特定微粒，還能像‘倒車牽引’般逆向拉動微粒。我們進一步構建‘雙光針’結構，如同在微觀空間鋪設兩條并行光學通道，可同時分選兩種對映體，搭建出一套全光調控的微觀智能分揀流水線。”
圖2 雙光針光場中不同起始位置、不同手性參數(shù)的左右手對映體的運動軌跡(a, b)，以及500粒子的初始隨機位置和0.1s后最終位置情況(c)。
研究得到了國家自然科學基金、陜西省重點項目、中國科學院西部之光等項目的支持。
姚保利研究員團隊在光場調控和光學微操縱方面開展了長期的理論和實驗研究并取得了系列重要成果，相關工作發(fā)表于PNAS、PRL、Small等期刊，授權多項國家發(fā)明專利，曾獲陜西省科學技術一等獎、二等獎和陜西省重點科技創(chuàng)新團隊等獎勵和榮譽。
